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1、粉末冶金新技术刘 颖四川大学材料学院1主要内容 粉末制备新技术 成型新技术 烧结技术21.雾化法制备金属粉末-低氧含量铁粉一、粉末制备新技术生产在无氧气氛中进行, 并包含一些石蜡,这些 分解为碳与氢。碳与铁反应, 形成很薄的富碳 表面层。碳含量使颗粒的延性降低, 但提高了 表面的烧结活性。在粉末压块中, 碳易于扩散 到颗粒中心及相邻的颗粒中, 因而可用于生产不需添加石墨的粉末冶金钢。 瑞典IPS钢粉公司每年低氧含量雾化铁粉, 其 氧含量低于 (0.015%)。3对于粉末冶金应用来说,这种无氧粉末允许使用便宜的合金元素(铬和锰等) 代替镍和铜。镍作为战略性资源，不但 价格昂贵，并且还是一种致癌物
2、, 应尽 量避免使用。这种粉末也很适合于用温 压与热等静压工艺来生产高强度部件。一、制粉新技术4一、制粉新技术为提高烧结钢的力学性能,通常在烧结 后还须进行热处理。为降低生产成本,开发了许多烧结后已硬化、不须再进行热处理的 材料。美国Hoeganaes公司推出了一种烧结 硬化铁基粉末Ancoresteel737SH,其淬透性与压缩性均比现有的烧结硬化材料高。2.烧结硬化粉5利用烧结硬化粉可生产不需要再淬火或很少再淬火和回火的粉末冶金零件；除降低成本外,烧结硬化可提供更好的公差控制(淬火和回火常引起一定程度的变形)。这种粉末可用于汽车工业,特别适用于发动机部件,传动部件及近终形齿轮等。一、制粉新
3、技术6目前软磁复合材料已得到广泛应用。它们是在 纯铁粉颗粒上包覆一层氧化物或热固化树脂进行绝 缘而制成的。在低频应用中,采用粗颗粒铁粉与热固 化树脂混合,获得高磁导率与低铁损的材料。高频应 用时,颗粒间需要更有效地进行绝缘,因而粒度要更 小,以进一步减少涡流损失。它可制成各向同性的软 磁复合部件,但不需要高温烧结。粉末晶粒度增大时 ,磁导率增大,矫顽力降低。2.软磁金属复合粉制备一、制粉新技术7采用燃烧火焰-化学气相法生产纳米粉末。在此法 中,稳定的平头火焰是由低压燃料/氧气混合气的燃 烧产生的。化学母体与燃料一起导入燃烧室,在火 焰的热区进行快速热分解。由于燃烧室表面温度分 布良好,气相逗留
4、时间短以及化学母体浓度均匀,并 在很窄的热区进行热分解,因而能生产出粒度分布集中的高质量的纳米粉。3.燃烧火焰-化学气相法生产纳米粉末一、制粉新技术8目前，该法已用于生 产SiO2、TiO2、Al2O3、SnO2、V2O5、ZrO2等氧化 物纳米粉。该法生产的纳 米粉末成本十分低廉，按 年产100吨纳米粉估算,每公斤纳米粉的成本不会高 于50美元。一、制粉新技术9一、制粉新技术美国采用普 通搅拌器、激光 与便宜的反应材 料,可快速、便 宜、干净地生产 1100nm的银粉与镍粉。4.激光生产纳米粉末10一、制粉新技术例如,将硝酸银溶液与一种还原剂导入搅拌器中,用激光短时照射混合物,同时进行搅拌。
5、当激光脉冲射到液体时，形成极小的“热点”,使硝酸银与还原剂发生反应,生成极小的银颗粒。通过改变激光强度、搅拌器转速与反应成分,可控制银粉粒度,在一定程度上也可控制颗粒形状。11该法生产速度为0.5-30g/min,比其他纳米粉末制备方法生产率高。本方法所用反应材料不污染环境，而以前生产银粉所用的联氨是一种致癌物。用这种方法生产的银粉可用于制造焊料、牙科填料、电路板、高速摄影胶片等。一、制粉新技术12一、制粉新技术大功率电脉冲施于氩气保护的金属丝上,并受到大功率脉冲产生的特殊场约束。柱形等离子体被加热到15000以上高温,因而电阻剧增,引起特殊场崩溃。金属蒸气的高压引起爆炸,产生冲击波,形成的金
6、属气溶胶快速绝热冷却,制得纳米粉。5.电爆炸金属丝 制取纳米粉13一、制粉新技术此法可生产铝、镍、银、铜、锌、铂 、钼、钛、锆、铟、钨及其合金粉.这些粉末可用于推进剂、炸药、烟 火、金属与陶瓷的粘结、助烧结剂、催 化剂、合成有机金属化合物等。14澳大利亚开发出一种机械化学法,可廉价生产纳米金属粉与陶瓷粉。它采用球磨机来激活化学反应,使形成极细的纳米金属或化合物晶粒,再分离与提取微细晶粒。例如机械研磨FeCl3,由钠、钙或铝将其还原为铁与氯化物的混合物。用适当洗涤法去除氯化物后,便可得到纳米铁颗粒。一、制粉新技术6.机械化学法生产廉价的纳米粉末15这一方法可成功生产1020nm的粉末,化学纯度高
7、,表面氧化物低于10%15%。也可生产氧化物粉末,粒度小于5nm。潜在高技术应用:切削工具、先进陶瓷、高密度磁记录介质、磁流体、催化剂等。一、制粉新技术16一、制粉新技术美国科学家采用声化学技术制取纳米金属粉。声化学是研究液体中高强度超声波产生的小气泡的形成、长大与内向破裂等现象的学科。7.声化学制取纳米金属粉17一、制粉新技术这些超声波气泡的破裂,产生很强的局部加热而在 冷液中形成“热点”,瞬时温度约为5000,压力约 1GPa,持续时间约10亿分之一秒。 粗略而形象地说,上述这些数据相当于太阳的表 面温度,大洋底部的压力,闪电的时间。当气泡破 裂时,气泡内所含金属的易挥发化合物分解成单个
8、金属原子,而后聚集为原子簇。这些原子簇含有几 百个原子,直径约为23nm。18一、制粉新技术这些小的磁性金属原子簇,像顺磁体材料一样,磁矩由原子簇的原子自旋构成,且所有自旋均在同一方向上,因而磁矩比普通材料高100多倍。包覆这些颗粒可形成稳定铁胶体,颗粒永远处于悬浮态,现已作为“磁流体”工业化生产,用于扬声器,磁性墨水,磁流体密封,润滑剂,轴承,医学等。19二、粉末冶金成型新技术原理:将粉末装于一个导电 的容器(护套)内,置于高强 磁场线圈的中心腔中。电容 器放电在数微秒内对线圈通 入高脉冲电流,线圈腔中形 成磁场,护套内产生感应电 流。感应电流与施加磁场相 互作用,产生由外向内压缩 护套的磁
9、力,因而粉末得到 二维压制。整个压制过程不 足1ms。1.动磁压制技术20动磁压制的优点: 由于不使用模具,成型时模壁摩擦减少到0，因而可 达到更高的压制压力,有利于提高产品，并且生产成 本低；由于在任何温度与气氛中均可施压,并适用于所有材 料,因而工作条件更加灵活； 由于这一工艺不使用润滑剂与粘结剂,因而成型产 品中不含有杂质，性能较高，而且还有利于环保。二、粉末冶金成型新技术21二、粉末冶金成型新技术许多合金钢粉用动磁压制做过实验,粉末中不添加任何润滑剂,生坯密度均在95%以上。动磁压制件可以在常规烧结条件下进行烧结,其力学性能高于传统压制件。动磁压制适用于制造柱形对称的近终形件、薄壁管、
10、纵横比高的零件和内部形状复杂的零件。22动磁压制有可能使电机设计与制造方法产生革命性变化,由粉末材料一次制成近终形定子与转子,从而获得高性能产品,大大降低生产成本。动磁压制正用于开发高性能粘结钕铁硼磁体与烧结钐钴磁体。由于动磁压制的粘结钕铁硼磁体密度高,其磁能积可提高15%-20%。二、粉末冶金成型新技术23动磁压制的亚毫秒压制过程有助于保持材 料的显微结构不变,因而也提高了材料性能。 对于象、与陶瓷粉末等难压制材料,动 磁压制可达到较高的密度,从而降低烧结收缩 率。目前许多动磁压制的应用已接近工业化 阶段,第一台动磁压制系统已在运行中。二、粉末冶金成型新技术24二、粉末冶金成型新技术瑞典开发
11、出粉末冶金用高速压制法。这可能是粉末冶金工业的又一次重大技术突破。高速压制采 用液压冲击机,它与传统压制有许多相似之处,但关 键是压制速度比传统快5001000倍,其压头速度高 达230m/s,因而适用于大批量生产。液压驱动的 重锤(51200kg)可产生强烈冲击波,0.02s内将压制能量通过压模传给粉末进行致密化。重锤的质量 与冲击时的速度决定压制能量与致密化程度。2.高速压制25高速压制的另一个特点是产生多重冲击 波，间隔约0 3s的一个个附加冲击波将密度不断提高。这种多重冲击提高密度的一个优 点是,可用比传统压制小的设备制造重达5kg以上的大零件。高速压制适用于制造阀座、气门导管、主轴承
12、盖、轮毂、齿轮、法兰、连杆、轴套 及轴承座圈等产品。二、粉末成型新技术26与传统压制相比, 高速压制的优点是： 压制件密度提高，提高幅度在0.3g/cm3左右； 压制件抗拉强度可提高20%25%； 高速压制压坯径向弹性后效很小, 脱模力较低； 高速压制的密度较均匀, 其偏差小于0.01g/cm3。二、粉末成型新技术27温压技术是近几年新发展的一项新技术。它是在混合物中添加高温新型润滑剂，然后将粉末和模具加热至423K左右进行刚性模压制，最后采用传统的烧结工艺进行烧结的技术，是普通模压技术的发展与延伸，被国际粉末冶金界誉为 “开创铁基粉末冶金零部件应用新纪元”和“导致粉末冶金技术革命”的新型成型
13、技术。二、粉末成型新技术3.温压成型技术 28二、粉末成型新技术温压技术的特点 ： 能以较低成本制造出高性能粉末冶金零部件； 提高零部件生坯密度和高强度，便于制造形状 复杂以及要求精密的零 部件 ； 产品密度均匀。29二、粉末成型新技术温压技术研究和开发的核心： 预合金化粉末的制造技术； 新型聚合物润滑剂的设计； 石墨粉末有效添加技术； 无偏析粉末的制造技术； 温压系统制备技术。30温压技术主要适合生产铁基合金零件。同时人们正在尝试用这种技术制备铜基合金等多种材料零件。由于温压零件的密度得到了较好的提高，从而大大提高了铁基等粉末冶金制品的可靠性，因此温压技术在汽车制造 机械制造、武器制造等领域
14、存在着广阔的应用前景。二、粉末成型新技术31二、粉末成型新技术流动温压技术以温压技术为基础,并结合了金属注射成形的优点,通过加入适量的微细粉末和 加大润滑剂的含量而大大提高了混合粉末的流动 性、填充能力和成形性, 这一工艺是利用调节粉 末的填充密度与润滑剂含量来提高粉末材料的成 形性。它是介于金属注射成形与传统模压之间的 一种成形工艺。4.流动温压技术32二、粉末成型新技术流动温压技术的关键是提高混合粉末的流动性，主要通过两种方法来实现：第一种方法是向粉末中加入精细粉末。这种精细 粉末能够填充在大颗粒之间的间隙中,从而提高了混合 粉末的松装密度。第二种方法是比传统粉末冶金工艺加入更多的粘 结剂
15、和润滑剂,但其加入量要比粉末注射成形少得多。 粘结剂或润滑剂的加入量达到最优化后,混合粉末在压 制中就转变成一种填充性很高的液流体。33二、粉末成型新技术将上述两种方法结合起来,混合粉末在压制温度下就可转变成为流动性很好的黏流体,它既具有液体的所有优点,又具有很高的黏度。混合粉末的流变行为使得粉末在压制过程中可以流向各个角落而不产生裂纹。34二、粉末成型新技术流动温压工艺主要特点如下:(1)可成形零件的复杂几何形状。国外已利用 常规温压工艺成功制备出了一些形状较复杂的粉 末冶金零件,如汽车传动转矩变换器涡轮毂、连杆 和齿轮类零件等。(2)密度高、性能均一。流动温压工艺由于松 装密度较高,经温压
16、后的半成品密度可以达到很高 的值。由于流动温压工艺中粉末的良好流动性,由 此得到的材料密度也更加均匀。35(3)适应性较好。流动温压工艺已经用于低合金钢粉、不锈钢316L粉、纯Ti粉和WC-Co硬质合金粉末。原则上它可适用于所有的粉末体系，唯一的条件是该粉末体系须具有足够好的烧结性能,以便达到所要求的密度和性能。(4)简化了工艺,降低了成本。二、粉末成型新技术36美国开发出一种能在室温下生产全致密零件而无需后续烧结的粉末冶金工艺。此工艺称 之为“冷成形粉末冶金”。它采用特殊配制的 活化溶液与革新的进料靴技术,在压力下精确 地将粉末注入模中。加压输送的进料靴使粉末 填充更加均匀,而活性溶液则防止形成氧化物, 从而大大促进了冷焊效应。二、粉末成型新技术4.冷成形工艺37二、粉末成型新技术采用这一工艺可制得全致密的接近最终形状的零件，而压制后无需烧结及机加工。此工艺采用包覆粉末。但许多市售的金属或非金属粉末也可使用。目前该工艺的开发工作主要集中于生产热操作零件，但这一工艺也适用于生产结构件及其他用途的零件。3
